嵌入式设备与以太网互连系统的设计.docx
嵌入式设备与以太网互连系统的设计ronggang导语：针对当前工业控制、智能仪器、信息家电等领域大量嵌入式设备需要接入互联网的现状，提出了一种基于IP2022单芯片的解决方案，实现了带有RS-485串口的嵌入式设备与以太网的连接摘要：针对当前工业控制、智能仪器、信息家电等领域大量嵌入式设备需要接入互联网的现状，提出了一种基于IP2022单芯片的解决方案，实现了带有RS-485串口的嵌入式设备与以太网的连接。主要介绍了基于IP2022芯片的硬件总体构造、系统的接口电路和软件设计。具有体积小、功耗低、开发周期短的特点，实用价值很高。关键词：嵌入式设备;IP2022;RS-485;以太网接入随着Internet技术的日益普及，信息分享的程度不断进步。据网络专家预测，将来在互联网上传输的信息中，70%左右是来自小型嵌入式设备，互联网应用正在转到以嵌入式设备为中心。由于在工业测控系统、智能仪器、智能家电等领域应用的许多嵌入式设备，它们的对外通讯接口仍然是易用性强、可靠性高的串口，因此怎样将工业中已经大量应用的带有串口的嵌入式设备接入网络，就成了一项重要而迫切的课题。本文就是在这种应用现状背景下，以IP2022网络处理器为核心，设计实现了带有RS-485串口的嵌入式设备与以太网的互联络统。系统实现了通用异步收发机UART、以太网驱动器外设和TCP/IP网络协议栈功能，为嵌入式设备接入以太网提供了一个软硬件平台。2系统的硬件设计2.1IP2022简介12IP2022是美国Ubicom公司推出的一颗功能强大的网络通信处理器，在4.8MHz晶振驱动下，利用其内部的锁相环PLL电路，CPU工作频率可到达120MHz，并且大多数指令均为单周期执行，其吞吐量能知足各种新型网络连通应用的要求。IP2022的内部构造如图1所示。align=center图1IP2022内部构造框图/alignIP2022内含全双工串化器/解串器Ser/Des，能直接与各种常用网络接口连接，可实现片内10Base-T以太网MAC和PHY、UART和其它各种快速串行协议。IP2022以软件模块ipModules形式实现外设通信和控制功能，比传统硬件具有更大的系统设计灵敏性。IP2022还提供有TCP/IP网络协议栈，并具有一系列完好的端到端连通方案所必须的附加软件。IP2022由于其内含两个Ser/Des部件，能方便的从一种格式转换为另一种格式，所以也能做协议转换器。2.2系统硬件总体构造系统的硬件主要由IP2022网络处理器、RS-485接口电路、以太网接口电路和电源电路等组成。IP2022网络处理器是整个系统的核心，主要完成数据的转换和系统的控制。以太网接口电路实现与10Base-TEthernet的连接。RS-485接口电路实现与带有RS-485接口的嵌入式设备的连接。电源电路提供了系统所需的+5V、+3.3V、+2.5V电源。系统的硬件构造如图2所示。align=center图2系统硬件构造图/align2.3系统的RS-485接口电路34RS-485标准由于具有良好的抗噪声干扰性，长的传输间隔及多站传输才能等优点，已经成为分布式系统中数据传输的首选标准。但在实际使用经过中假如使用不当，数据传输就会出现误码。为了抑制误码，在本设计中，我们用了两片具有瞬变电压抑制功能的SN75LBC184，把输入和输出的线路分开，使输入和输出的信号互不干扰。SN75LBC184带有内置高能量瞬态噪声保护装置，进步了抵抗数据同步传输电缆上的瞬变噪声的可靠性。该芯片以差分方式传输信息，抗共模干扰才能强，容许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备，其最大容许通信间隔到达1200米。图3给出了系统的RS-485接口电路的原理示意图。通过反复试验，在输入端加装3.3K偏置电阻，串联1K串联电阻，使输入信号波形最好;在输出端，加装18K偏置电阻。align=center图3RS-485接口电路原理示意图/alignSN75LBC184工作电压为+5V，而IP2022的I/O端工作电压为+3.3V。这样一来，接收外部信号时，就可能因为电压过高而对IP2022的I/O端口造成损坏。所以设计时就在SN75LBC184和IP2022之间加了一个电压转换芯片74LVX4245。该芯片一端信号使用+5V，另一端信号使用+3.3V，通过使能端来控制信号的流向，这就有效的维护了IP2022的工作稳定性和平安性。2.4系统的以太网接口电路5IP2022芯片内含全双工串化/解串器SER/DES，可以实现片内10Base-T以太网MAC和PHY。在设计外部接口电路时，不需要使用专用的以太网接口芯片，只需直接将IP2022的输入输出信号线与网络变压器连接。图4给出了系统的以太网接口电路的原理示意图。align=center图4以太网接口电路原理示意图/alignIP2022使用了6根I/O引脚，这6根I/O引脚与串化器/解串器1相连。其中用于发送的四根引脚各联接一个电阻，这四个电阻结合给出了100的阻抗。TX+/TX-为差分发送线对，RX+/RX-为差分接收线对，使用差分平衡传输，传输速度可到达10Mbps。FB2022是一个内部带有低通滤波器的网络变压器，负责将IP2022输出差分电压放大之后传给RJ45，将输入的差分电压变压缩小之后传给IP2022，保护IP2022芯片不受损坏。在RX+和RX-之间跨接100的耦合电阻，进步通信线路的稳定性。RJ45为标准的双绞线以太网接口插座。3系统的软件设计IP2022提供有完善的软件开发工具，主要包括Ubicom集成IDE和Ubicom配置工具。Ubicom集成IDE提供了直观的用户界面，包括编辑器、工程管理器、器件编程和调试的工具，可以方便用户进展软件工程的工程管理与最终的实现。Ubicom配置工具可以方便的添加软件包，设置软件包所用的IP2022硬件资源，确定各软件包之间的关系，自动链接到目的代码。系统主要是用来完成RS-485串口和以太网之间的数据转换和传输，在硬件上拥有了RS-485接口和以太网RJ45接口之后，软件上还必须利用IP2022的配置工具加载ipOS、ipStack、ipEthernet和ipUART四个软件模块。ipOS操作系统模块是Ubicom设计的可配置的嵌入式实时操作系统，它是专为网络应用而优化的。ipStack协议栈模块是符合工业标准的TCP/IP网络连接协议栈，它提供直接Internet寻址功能，设计者不需要使用外部物理接口芯片或者PC网关就能设计嵌入式网络设备。ipUART串口模块提供了异步串口通信功能，系统加载ipUART软件模块后，芯片具备了异步收发UART才能，可以支持串口通信。ipEthernet以太网模块完全实现了10Base-T以太网物理层接口包括MAC和PHY功能，只需使用一个IP2022和少量的外部电路就能实现嵌入式设备接入以太网。图5为系统主程序的流程图。align=center图5系统主程序流程图/align因为我们配置的IP2022芯片的操作系统是以单任务方式运行的，每一个物理接口和一些操作系统功能都需要被轮询，因此，轮询必须尽可能的返回以防阻碍了其它系统程序的执行。IP2022的运行速度很快，在RAM中可以到达120MIPS，在Flash中可以到达30MIPS，所以轮询速度是可以知足实际要求的。初始化主要是初始化操作系统和初始化协议栈。在操作系统主要是初始化主要的存放器、系统调试支持代码、系统定时器;在协议栈主要是初始化IP2022的netbuf/netpage存储机制、TCP协议。利用IP2022的配置工具增加ipEthernet以太网软件模块，设置以太网接口所用的IP2022硬件端口资源，调用软件包ipEthernet中的函数ip2k_eth_instance_alloc创立虚拟外设以太网驱动器。调用软件包ipStack中的函数eth_ip_arp_instance_alloc创立以太网链路层到IP层的实例，调用函数dhcp_client_instance_alloc创立DHCP实例。利用IP2022配置工具增加ipUART软件模块，设置所用的IP2022硬件资源、串口波特率等参数，调用软件包ipUART中的函数uart_vp_instance_alloc创立一个虚拟外设UART，调用函数uart_listen对串口进展侦听。从图5中可以看出进入主循环后，首先对以太网口进展轮询，然后再对串口轮询，这样保证从以太网口来的指令可以优先及时地得到处理。假如轮询到端口有数据发送或者接收，就对数据进展协议的转换和传输，其详细的流程如图6所示。align=center图6数据协议转换流程图/align4完毕语本互联络统实现了带有RS-485串口的嵌入式设备与以太网的连接，进而可以通过以太网接入Internet，进而实现从Internet上监控嵌入式设备，可广泛应用在工业控制、智能仪器、信息家电等领域，具有较高的实用价值。参考文献:1UbicomCorporation.IP2022DataSheet.2002。2李丹美.网络处理器IP2022的原理及应用J.国外电子元器件,2002,5:31-34。3SN75LBC184具有瞬变电压抑制功能的差分收发器Z.icbase。474LVX4245DataSheetZ.fairchildsemi。5FB2022DataSheetZ.bothhand。6UbicomCorporation.IP2022ProgrammersReferenceManual,2002。7陈静.一种新型网络处理器IP2022J.当代电子技术,2003,2:29-33。8吴振纲，陈虎.PLC的人机接口与编程J.微计算机信息，2005，8-1：21-23。
